托座加工技术研究

邓文星，韩利萍，秦 俊，张艳文，杨少华

（1.山西航天清华装备有限责任公司工艺处，山西长治 046012；2.火箭军驻长治地区军代室，山西长治 046012）

1 引言

现代制造业要实现集成化、自动化及柔性化生产，数控加工技术首当其冲，其产品质量的提升及劳动生产率的提高有赖于数控加工技术的广泛应用[1]。图1所示托座为某产品重要的焊接结构件，托座尺寸约为1,250×600×300mm。以前产品在下端有一个机加平面，可以作为整个托座后续加工的一个基准，进行后续的圆弧面加工和镗孔。现在的零件已经没有那个机加平面结构，使得此托座没有了装夹基准，给托座加工带来了困难。采用以往的装夹方式，在机加完圆弧面之后，无法精确找到镗孔轴线所在的位置。托座二维结构如图2所示，托座上端中心线与下端中心线夹角为2.45°，托座下端孔加工精度为φ60H7mm，即上偏差为+0.03mm，下偏差为0，且要求机加圆弧面直径与机加孔轴线共面。以往生产过程中由于操作工采用装夹方法不合理，导致对刀基准位置出现偏差，整个托座加工完成后不能满足工艺图纸要求，造成了大量返工返修，滞约了生产进度，影响了托座质量。

2 加工现状分析

2.1 加工设备

由于托座尺寸较大，采用180数控铣镗加工，考虑到所需镗孔长度270mm，要求镗孔刀杆长280～300mm，在镗孔过程中也受到铣镗床转速、进给、被吃刀量影响，找到最合理的切削参数即可保证镗孔刀杆震颤最小，也可保证镗孔精度要求[2]。

图1 托座三维模型图

图2 托座二维平面图

2.2 制约因素

（1）刀具本身的因素。

刀片和托座的材料如果不匹配，镗孔过程中会产生镗孔表面粗糙度质量较差的现象；刚性相对较高的工艺系统，支持较大的刀尖圆弧角切割。若镗孔时每转的进给量大于刀尖圆弧过渡刃的修光长度，将会造成加工后的表面修光不彻底。当刀头的后角太小时，不论是主后角还是副后角，都会使刀尖与托座的摩擦面积增大，工艺系统发生振颤；未及时更换刀尖磨损严重的刀片，镗孔时孔壁会出现“拉毛”的情况，必然导致镗孔质量的下滑[3]。刀具因素对托座质量影响详见表1所示。

表1 刀具因素对托座质量影响表

（2）切削速度的影响。

在镗削过程中，当切削速度选择不当时，镗孔过程中会出现工艺系统发生高频共振的现象，严重降低镗孔尺寸精度和表面粗糙度质量。当切削速度过大时，可能或造成刀尖磨损严重，切削热升高产生积屑瘤，必然降低镗孔的尺寸精度和表面粗糙度质量；当切削速度太小时，镗孔过程中存在刀尖崩刃导致孔壁产生划痕现象，同样降低镗孔尺寸精度和表面粗糙度质量。

（3）进给量的影响。

在镗孔过程中，若刀尖修光刃的有效修光长度小于所使用的刀具的单位进给量时，必然造成孔尺寸精度不匀称，孔壁已加工表面出现“螺纹”状的划痕；当刀尖修光刃的有效修光长度比单位进给量大的太多时，又会导致道具与孔壁的重复性摩擦，进而降低孔壁的表面质量。

（4）镗孔余量的影响。

当镗孔的余量较大或不均时，必然会发生较大的切削阻力，导致镗杆发生变形反弹，引起切削过程中不稳定的现象，加工孔径偏大且不均匀；当镗孔的余量较小时，会使镗刀“压不住刀”，切削过程中产生让刀现象，产生一头大一头小的锥孔。

3 采取措施

3.1 设计装夹工装

为解决无装夹基准的难题，设计托座专用工装，其三维模型如图3所示。托座加工工装底部平面与水平面夹角为2.45°，上端圆弧面与托座上端圆弧面贴合，装配示意如图4所示。首先将工装用压板压紧在工作台上，使用托座加工工装底面平面与水平面夹角2.45°来弥补托座上端圆弧面结构倾斜的2.45°，即将托座弧面R864mm与工装弧面R864mm贴合，调整托座的中心刻线与工装的中心刻线对齐，必要时使用垫片调整，从而保证托座底部孔φ60mm处于水平位置，即孔φ60mm轴线水平，以此来加工孔φ60H7mm（即上偏差为+0.03mm，下偏差为0）。

图3 托座专用工装三维图

图4 托座与工装装配示意图

3.2 工艺方案优化

工艺方案优劣是影响托座加工质量的重要因素。根据托座结构特征及余量等因素，将工艺方案确定为粗加工→半精加工→精加工。切削参数合适与否直接影响镗孔表面质量[4]，根据加工方式的不同，选择不同的刀具，选择刀杆长度为280～300mm，相应的切削参数如表2所示。

表2 刀具切削参数

在粗加工过程中，由于加工余量较大，产生的切削力较大，产生的切削热也较多，为提高刀具的强度和耐磨性，选择前角γo=5°、后角α0=3°、刃倾角λs=2°，由于托座刚性较差，为避免在加工中产生振动，选择主偏角Kr=90°。

精加工内孔时，为提高内孔表面质量，保证内孔的圆柱度和圆度公差要求，选用了后角位α0=11°、刀尖圆弧为R0.4mm的镗刀，以减小切削力，避免在镗削过程中产生振动。刀片形状如图5所示，装在刀杆上如图6所示。

粗镗孔的目的是去掉孔壁的大余量，为精镗做准备。粗加工中产生大量的切削热与切削应力会导致工艺系统的变形加剧。半精镗主要是进一步去除内孔多余的余量，逐渐减小内孔的形位公差，进一步提高内孔表面加工质量，同时，选用较小的切削用量，减小切削热和切削力，保证托座较小的变形；精镗内孔的目的是保证内孔尺寸公差和表面粗糙度达到图样要求，使表面粗糙度值为Ra6.3μm，内孔尺寸控制在φ60H7mm（即上偏差为+0.03mm，下偏差为0），为托座提供理想的尺寸和表面粗糙度值要求。

图5 精镗孔刀片示意图

图6 刀片与刀杆装夹示意图

4 结语

通过设计托座加工工装，对托座进行装夹定位，为镗孔做好了前期的准备工作，并在具体工艺方法上采取优化的工艺方案，选择了合理的加工方式、刀杆及切削参数，保证了孔φ60mm的表面质量和精度要求，有效减少返工返修，同时缩短加工时间30%，破解了加工瓶颈工序，有效保证了车间生产进度。本方案还为后续类似零部件的生产开辟了思路，提供了经验，可推广到更多类似产品加工。